Vertical external-cavity surface-emitting lasers are ideal testbeds for studying the influence of the non-equilibrium many-body dynamics on mode locking. As we will show in this thesis, ultra short pulse generation involves a marked departure from Fermi carrier distributions assumed in prior theoretical studies. A quantitative model of the mode locking dynamics is presented, where the semiconductor Bloch equations with Maxwell’s equation are coupled, in order to study the influences of quantum well carrier scattering on mode locking dynamics. This is the first work where the full model is solved without adiabatically eliminating the microscopic polarizations. In many instances we find that higher order correlation contributions (e.g. polarization dephasing, carrier scattering, and screening) can be represented by rate models, with the effective rates extracted at the level of second Born-Markov approximations. In other circumstances, such as continuous wave multi-wavelength lasing, we are forced to fully include these higher correlation terms. In this thesis we identify the key contributors that control mode locking dynamics, the stability of single pulse mode-locking, and the influence of higher order correlation in sustaining multi-wavelength continuous wave operation.

Les solutions laser actuellement mises en œuvre pour la manipulation des atomes de Césium dans les horloges atomiques et les capteurs inertiels embarqués souffrent de limitations intrinsèques en termes de puissance, de largeur de raie ou de compacité qui justifient l'étude de nouveaux concepts. Nous nous sommes intéressés aux lasers à semiconducteurs pompés optiquement, qui combinent les avantages des lasers solides traditionnels et ceux des lasers à semiconducteurs, ce qui leur permet d'émettre de fortes puissances dans un faisceau monomode. Dans ce manuscrit, nous étudions la conception d'une telle source dont l'émission est monomode transverse et longitudinale, en prenant en compte les contraintes d'efficacité et de compacité imposées par l'environnement spatial. Nous portons un soin tout particulier à décrire la structure semiconductrice et sa caractérisation expérimentale. Nous détaillons ensuite la mise en œuvre expérimentale et la caractérisation d'un prototype, accordable sur la raie D2 de l'atome de Césium. La stabilisation de la fréquence du laser est réalisée grâce à un asservissement sur une transition atomique dans un montage d'absorption saturée. Les propriétés spectrales de la source sont étudiées, en particulier, sa largeur de raie du laser et son spectre de bruit de fréquence. Enfin, nous mettons en évidence les contraintes thermiques qui apparaissent lors de la montée en puissance et nous cherchons à atteindre les limites des composants étudiés. Finalement, nous proposons diverses voies de recherche pour la poursuite de ces travaux.

Dans un premier temps, nous avons optimisé des structures laser VECSEL dans le but de maximiser la puissance émise par une gestion thermique adéquate. Les structures conçues et fabriquées contiennent une zone active à base d'InP pour l'émission à 1.55 µm. Un miroir hybride métal- semiconducteur à base d'un miroir de Bragg GaAs/AlAs est intégré à la zone active. La structure semiconductrice est intégrée avec différents substrats hôtes de bonne conductivité thermique sur la base de simulations numériques, et les performances des dispositifs fabriqués sont évaluées expérimentalement sous pompage optique Les VECSELs intégrés sur substrat diamant CVD présentent les puissances de sortie les plus élevées, et sont de bons candidats pour l'émission de puissance (> 500 mW) à 1.55 µm et pour les expériences de blocage de modes. D'un autre côté nous montrons que l'intégration d'un substrat de cuivre par voie électrochimique représente une approche flexible et faible-coût, pour atteindre une puissance de sortie de plusieurs dizaines de mW jusqu'à ~ 200 mW.Dans un second temps, nous avons développé des SESAMs à 1.55 µm. La région active est formée de puits quantiques InGaAsN/GaAs, couplés par effet tunnel à des plans GaAsN à recombinaison rapide. Des temps caractéristiques de recouvrement de l'absorption de quelques picosecondes à la dizaine de picoseconde sont ainsi mesurés.La résonance de la microcavité SESAM est ajustée de manière contrôlée grâce à des couches de phase spécifques épitaxiées en surface de la structure. La gravure sélective couche par couche des couches de phase permet d'accorder la profondeur de modulation et la dispersion de vitesse de groupe (GDD) de la structure SESAM.Finalement nous avons assemblé les structures SESAM et VECSEL dans une cavité à quatre miroirs pour obtenir un fonctionnement laser en régime de blocage de modes passif. Nous observons que la durée de l'impulsion de blocage de modes peut être réduite de plusieurs picosecondes (~ 10 ps), jusqu'à moins de la picoseconde (0.9 ps) en accordant la GDD de la structurre SESAM.

This dissertation has three parts which are distinctive from the perspective of their frequency regime of operation and from the nature of their contributions to the science and engineering communities. The first part describes work that was conducted on a vertical-external-cavity surface emitting-laser (VECSEL) in the optical frequency regime. We designed, fabricated, and tested a hybrid distributed Bragg reflector (DBR) mirror for a VECSEL sub-cavity operating at the laser emission wavelength of 1057 nm. The DBR mirror was terminated with a highly reflecting gold surface and integrated with an engineered pattern of titanium. This hybrid mirror achieved a reduction in half of the number of DBR layer pairs in comparison to a previously reported, successful VECSEL chip. Moreover, the output power of our VECSEL chip was measured to be beyond 4.0Wwith an optical-to-optical efficiency of 19.4%. Excellent power output stability was demonstrated; a steady 1.0 W output at 15.0 W pump power was measured for over an hour. The second part reports on an ultrafast in situ pump-probing of the nonequlibrium dynamics of the gain medium of a VECSEL under mode-locked conditions. We proposed and successfully tested a novel approach to measure the response of the inverted carriers in the active region of a VECSEL device while it was operating under passively mode-locked conditions. We employed the dual-frequency-comb spectroscopy (DFCS) technique using an asynchronous optical sampling (ASOPS) method based on modified time-domain spectroscopy (TDS) to measure the nonequilibrium dynamics of the gain medium of a phase-locked VECSEL that we designed and fabricated to operate at the1030 nm emission wavelength. Our spectroscopic studies used a probe pulse of 100 fs and an in situ pump pulse of 13 ps. We probed the gain medium of the VECSEL and recorded a depletion time of 13 ps, a fast recovery period of 17 ps, and 110 ps for the slow recovery time. Our scans thus demonstrated a 140 ps full depletion-recovery cycle in the nonequilibrium state. The third part discusses work in the microwave and millimeter wave frequency regimes. A new method to fabricate Luneburg lenses was proposed and demonstrated. This type of lens is well known; it is versatile and has been used for many applications, including high power radars, satellite communications, and remote sensing systems. Because the fabrication of such a lens requires intricate and time consuming processes, we demonstrated the design, fabrication and testing of a Luneburg lens prototype using a 3-D printing rapid prototyping technique both at the X and Ka-V frequency bands. The measured results were in very good agreement with their simulated values. The fabricated X-band lens had a 12 cm diameter and produced a beam having a maximum gain of 20 dB and a beam directivity (half-power beam width (HPBW)) ranging from 12° to 19°). The corresponding Ka-V band lens had a 7 cm diameter; it produced a beam with a HPBW about the same as the X-band lens, but with a maximum gain of more than 20 dB.

Cette thèse porte sur l'élaboration et l'utilisation de structures semi-conductrices à émission laser par la surface en cavité externe (VECSEL) en pompage optique pour la réalisation de sources d'impulsions brèves à haut taux de répétition émettant à 1550nm. Ces sources ouvrent la voie à des applications intéressantes dans les télécommunications optiques pour réaliser des émetteurs à très haut débit ou pour l'échantillonnage optique linéaire ultra-rapide. Les objectifs de ce travail de thèse étaient, dans un premier temps, de développer et réaliser des structures VECSEL, qui contiennent une zone active formée par des puits quantiques GaAlInAs/InP localisés aux maxima du champ électrique résonant, positionnée sur un miroir de Bragg, le tout étant reporté par brasure sur un substrat de bonne conductivité thermique. Pour cela, nous avons conçu des structures permettant d'accélérer l'évacuation de la chaleur accumulée dans la zone active, ce qui a permis d'améliorer les performances du VECSEL, notamment la puissance de sortie. Les performances des VECSEL ont été évaluées dans une cavité simple à deux miroirs (plan-concave). Le second point était de développer et réaliser des structures SESAMs, qui permettent, par leur comportement non linéaire, d'obtenir un fonctionnement en verrouillage de modes passif. Les structures, contenant des puits quantiques InGaAsN/GaAs, ont pour paramètres : le nombre de puits quantique, la résonance de la structure. Les caractérisations optiques en régime linéaire et non linéaire ont permis d'optimiser les structures SESAM et d'estimer leurs performances. Enfin, la compatibilité entre les structures de VECSEL et de SESAM en terme de profondeur de modulation et de longueur d'onde de résonance, a permis d'obtenir un verrouillage de mode passif dans une cavité à quatre miroirs. Les impulsions obtenues présentent deux comportements différents suivant les propriétés de dispersion des structures. La réalisation d'une faible dispersion a permis d'obtenir la première démonstration d'un VECSEL en verrouillage de modes passif fonctionnant à 1550 nm et à température ambiante. Un dispositif d'échantillonnage tout optique mettant en oeuvre l'échantillonnage optique linéaire basé sur l'utilisation d'une source d'impulsions brèves, a été réalisé et testé. Ce dispositif permettra d'obtenir des diagrammes de l'oeil et diagrammes de constellation avec une sensibilité attendue de l'ordre de -20dBm de puissance moyenne, sur des signaux porteurs de données à 10Gbit/s, voire 40 Gb/s. Les tests effectués ont permis de visualiser l'acquisition à très haut débit (40Gb/s).

Le cadre général de cette thèse est l'étude de nouvelles sources laser solides, pompées par diode, émettant un rayonnement continu monomode longitudinal dans le proche infrarouge (1000 nm) et dans le bleu-vert par doublement de fréquence, particulièrement à 501,7 nm. Ces sources laser visent des applications métrologiques telles que la spectroscopie de l'iode (127I2) à ultra-haute résolution et la mise en pratique du mètre, domaines dans lesquels les lasers à argon sont actuellement utilisés.<br />Le premier chapitre de ce travail présente le contexte de cette étude, à travers un état de l'art des sources laser autour de 500 nm, les solutions retenues et explorées, ainsi que des éléments théoriques pour la génération de seconde harmonique. Le principe commun des deux voies est de produire une émission laser monomode spectrale à 1000 nm qui est ensuite doublée en fréquence.<br />Le deuxième chapitre traite de la solution utilisant des cristaux dopés ytterbium émettant à 1000 nm, dont l'émission est doublée en fréquence intracavité dans un cristal non linéaire de KNbO3. Deux cristaux laser sont utilisés : le Yb:YSO et le Yb:KYW. Dans les deux cas, à 501,7 nm, nous démontrons des puissances en régime monofréquence comprises entre 35 et 60 mW pour une puissance de pompe de 4W à 980 nm.<br />Le troisième chapitre concerne la seconde voie étudiée utilisant un milieu amplificateur semiconducteur à puits quantiques de type VCSEL. La structure active, formée d'un miroir de Bragg et de puits quantiques, est montée en cavité étendue et pompée optiquement. L'émission autour de 1000 nm est doublée en fréquence pour produire 60 mW en régime monomode spectral à 500 nm, à partir d'une puissance de pompe de 6,5 W à 808 nm.

Ce travail de thèse porte sur l'étude expérimentale de l'auto-organisation optique transverse dans des lasers à grand nombre de Fresnel contenant un absorbant saturable. En présence de bistabilité et d'instabilité de modulation, des structures localisées apparaissent, appelées solitons de cavité. Elles résultent d'un équilibre entre diffraction et auto-focalisation dans un milieu non-linéaire. En régime laser, les systèmes évoqués plus haut peuvent ainsi émettre plusieurs faisceaux d'une dizaine de microns de diamètre seulement. Chaque faisceau constitue une structure localisée dans le plan transverse, qui peut être allumée, éteinte et déplacée à volonté. Ces travaux de thèse se divisent en deux parties principales : l'étude du régime continu et celle des régimes impulsionnels. Dans ce deuxième cas, le laser peut émettre des balles de lumière en cavité localisées à la fois dans l'espace et dans le temps. Les travaux effectués se sont axés sur la recherche et l'étude des différentes propriétés nécessaires à l'apparition de structures localisées bistables et impulsionnelles afin de les réunir. Les résultats présentés dans ce manuscrit montrent pour la première fois, dans une structure monolithique VCSEL avec absorbant saturable intégré, un processus d'écriture-effacement d'une structure localisée en régime continu. De plus, ils montrent les étapes réalisées afin de se rapprocher du même résultat dans le régime impulsionnel : un agrégat de structures localisées impulsionnelles a ainsi pu être écrit et effacé. De par la compacité des systèmes VCSEL et la reconfigurabilité des solitons de cavité, ces résultats constituent une étape supplémentaire vers la réalisation d'un traitement tout-optique de l'information.

L'objectif de cette thèse est l'étude de nouveaux matériaux et d'architectures innovantes pour les lasers organiques à l'état solide. Le premier axe de ce travail est consacré à la caractérisation laser d'une nouvelle petite molécule organique appelée " fvin ". L'émission stimulée dans le rouge (vers 650 nm) a été observée dans une couche pure de ce matériau, ce qui est en général impossible dans les colorants organiques en raison du phénomène de " concentration quenching ". La méthode de ruban de pompage de longueur variable (Variable Stripe Length (VSL) technique) a été utilisée pour étudier et mesurer le gain de ce matériau. L'effet laser a été démontré dans une cavité à réseaux de Bragg distribués (DBR) ainsi que sous la forme de laser aléatoire à des intensités de pompe élevées. Le deuxième axe de cette thèse est dédié au design, à la réalisation, à la caractérisation et à la modélisation d'une nouvelle architecture laser organique à cavité externe appelée VECSOL (inspirée de l'architecture traditionnelle des VECSELs inorganiques). Le milieu à gain est une couche de PMMA dopée avec un colorant (Rhodamine 640), déposée par " spin-coating " sur un miroir plan diélectrique. Le laser a été caractérisé avec deux sources de pompage de durées d'impulsion différentes (0.5 ns et 7 ns). Nous avons démontré une émission accordable (sur plus de 40 nm), un faisceau limité par la diffraction et un record d'efficacité de 57% dans une configuration optimisée. La dynamique de l'émission laser a été modélisée grâce aux équations de taux de Tang-Statz-de Mars, adaptées à la géométrie VECSOL. La cavité ouverte de l'architecture réalisée a permis, en outre, l'obtention d'une émission ultraviolette accordable grâce au doublement de fréquence intracavité dans une géométrie VECSOL modifiée.